醫院中央空調系統的節能控制改造與實現研究

林 杰，曾紅燕

（廣西醫科大學第一附屬醫院，廣西南寧 530021）

隨著醫療行業的飛速發展，醫療水平得到了顯著提高，醫院規模不斷擴大，醫院在運行過程中能耗不斷增多。中央空調系統是醫院正常運轉過程中一項重要設備，且其在運行期間會消耗大量能源。傳統的中央空調系統中采用的常規一次泵定流量系統經常會發生冷凍回水溫度偏低、機組效率運行低等多項問題，這將會消耗大量能源。同時，缺少合理的自動控制和管理功能，這不僅會降低中央空調系統管理水平，而且會縮短各項設備壽命。可見，在競爭日益激烈的今天，加強對中央空調系統的分析意義重大。

1 醫院中央空系統特點及主要表現

1.1 醫院中央空調系統特點

醫院中央空調系統運行過程中負荷較大，具體特點主要體現在以下3 個方面。

（1）醫院中人數多、密度高，特別是在溫度較高的夏季，流行病發生率高，醫院內部各個科室接收病患人數較多，這也就導致醫院中的中央空調在運行期間制冷負荷較大。

（2）醫院患者與工作人員的體質不同，不同患者的病情不同，因此，對環境的濕度與溫度要求也各不相同，這種隨機性和不穩定性也都導致醫院內的中央空調負荷會出現不穩定情況[1]。

（3）醫院是一個特殊場所，其要保持24h 不間斷運行，這也就對醫院內的中央空調提出了更高要求，中央空調在運行期間，一方面要適應四季變化，另一方面還要滿足醫院季節性“旺季”，以及特殊惡劣天氣變化，要確保其運行能夠滿足應用需求，而且具有良好經濟效益[2]。

1.2 醫院中央空調系統應用主要表現

醫院中央空調系統與其他樓宇內的中央空調系統存在明顯不同，主要表現在以下3 個方面。

1.2.1 抗菌消毒

中央空調體系相對固定，其與獨立空調相比，維護時間周期較長，而醫院內患者體質較弱，對病菌抵抗能力相對較弱，對空氣中的病菌十分敏感。因此，醫院中的中央空調需要增加抗菌過濾功能，在空調系統的各個通風口位置處要加設抗菌過濾器與過濾網，通過過濾方式隔離或滅殺病菌病毒，避免病菌通過空調傳播[3]。此外，通過對中央空調進行應用，能夠與外界空氣的交換，從而避免發生嚴重污染問題，避免對醫院內患者、醫務人員造成危害，引起其他疾病。

1.2.2 依據實際要求調節溫度

醫院內人口密集，變化明顯，溫度的變化會導致中央空調在運行期間負荷會發生改變，因此，要不斷對溫度進行調控。若采用中央空調對醫院室內溫度調節不及時，在人口密度快速上升期間，溫度會在短時間內升高，這對患者來說十分不利，會加重患者病情。若中央空調無法感知人流對溫度需求的改變，這會對醫院內部溫度調節質量造成不良影響[4]。

1.2.3 空氣流通過程中的應用

醫院病房內的患者多且集中，特別實在流行性疾病發展期間，醫院內空氣不及時與外界空氣進行交換，可能會引發各種疾病。同時，空氣傳播的不同類型疾病可能會引起交叉感染情況，這會對患者身體健康造成嚴重威脅。因此，醫院中央空調系統不僅需要具備交換空氣作用，而且還要具有阻斷空氣的能力。

2 中央空調控制智能化控制系統概述

本控制系統是對廣西某醫院的中央空調設備的各個機構在運行期間的各項運行參數進行動態采集，對各項數據進行適當分析，同時優化系統控制算法，實現對系統中各個執行機構的合理控制，通過對該系統的合理應用，能夠延長各項設備壽命，而且能夠減少系統在運行適當能耗，簡化管理，保證系統在運行期間的安全性，避免發生事故。本系統為冷源站節能控制系統，系統可以依據冷凍水管路、冷水機組、冷卻水管路狀態等及時反饋給各個傳感器，通過中央處理單元，完成相應的預算、判斷，從而實現對各種不同當作執行機構的動態閉環控制。

3 醫院中央空調系統節能控制策略

3.1 冷凍水泵節能控制

該項控制主要體現在以下3 個方面。

3.1.1 溫差供回水控制

控制程序在具體運行期間，可以檢測出中央空調系統在實際和荷載狀態下需要的冷凍水流速，從而獲取到滿足具體壓力需求和流速的水泵運轉參數與數量，保證水泵能夠在高效率下穩定運行，不會出現安全事故[5]。這一管控策略在具體應用期間，將預算荷載作為基礎，利用調頻管制方式，實現對供回水管溫度的合理控制，同時應用荷載預算方法，可以精準地獲取到預期系統流速，動態對比當前溫差設置值和實時溫差數據，用過對相應管控程序進行應用，能夠精準計算空調設備運行輸出頻率，采用調頻控制系統，控制與變更水機輸出頻率，進而完成對冷凍流速的調整，使其能夠達到預定流速，保證中央空調系統運行的合理性與安全性。

3.1.2 冷凍泵回水溫度控制

該控制方式可以完成對回水溫度的合理控制，在中央空調系統具體運行期間，對比設置回水溫度與實時回水溫度，提取中央空調系統中水泵的運行時的消輸出頻率，在完成對具體頻率進行調整之后，能夠加快或減緩冷凍水流速度，通過該方式，實現對回水溫度的調控[6]。具體運用期間，采用的管控算法自身能夠對參數進行改變，若在檢測期間，發現實際檢測到的溫度與設置的溫度之間存在較大偏差，此時，系統在運行過程中能夠通過自動方式完成相應調整，較少或增加幅值，進而保證程序在運行期間的穩定性，避免發生意外事故。

3.1.3 冷凍泵供回水壓差控制

該控制方式的應用能夠實現對分離水器壓差大小的有效管控，通過對比設置壓差與實際壓差之間數值，完成相應分析工作，能夠將水泵在運行期間的輸出頻率從系統中提取出來，采取更改輸頻率方式，完成對冷凍水流速的調整，最終達到控制供回水壓差的目的。

3.2 冷卻水泵節能控制

該控制與冷凍水泵控制十分相似，兩者都是通過對調頻控制方式進行應用，從而達到節能減目的。但是，從具體運行情況來看，冷卻水泵節能控制主要體現在以下2 個方面。

3.2.1 控制出水溫度

對比設置出水溫度和實際出水問題，完成相應分析工作，從系統運行情況，獲取到水泵輸出頻率，采取改變頻率方式完成對出水溫度和冷卻水流的調控，同時與管控算法具備的自改變參數功能進行配合應用，保證程序在運過程中的穩定性[7]。

3.2.2 控制進出水溫差

控制打冷機在運行過程中冷卻水進出水溫度情況，通過對比設置溫差值與實際冷卻進出水溫差，分析對比結果，獲取到水泵在運行過程中的實際輸出頻率，通過更改頻率，能夠調整冷凍水流速，實現對進出水溫差的控制。

3.3 冷卻塔節能控制

該項控制主要體現在以下2 個方面。

（1）可以結合實際比例情況，控制調控情況與臺數，完成相應分析工作。技術人員在問題分析期間，對比中央空調系統在運行期間，冷卻塔預設的開啟數量，以及整個系統中的主機數量，通過科學方式，完成對冷卻塔風機開啟比例的控制，從而合理控制冷卻塔風機的管控。為了保證系統在具體運行期間的穩定性，要對比分析預設溫度和冷卻塔出水問題，再通過系統進行自主計算，進而得到冷卻塔風機運行時的輸出頻率，采取風機輸出頻率更改方式，完成對通風速度的控制，進而實現對冷卻塔在運行時出水問題的調整。

（2）依據具體情況控制冷卻塔出水問題，若在具體分析期間，發現預設溫度值遠低于實際溫度。此時，系統在運行過程中，頻率會自動增加，直到頻率達到上限為止，如果實際溫度依然比預設溫度高，系統將會通過自動方式，開啟更多冷卻塔風機[8]。相反，如預設溫度遠超過了實際溫度值，系統則會逐漸減低冷卻塔風機在運行時的頻率，直到達到頻率限制為止，若在該情況下，設置溫度依然超過實際溫度值，系統會在一段延時后，將原本處于開啟狀態的部門分冷卻塔關閉。具體運行過程中，可以依據冷卻塔風機在運行過程中的運轉時長排序，也可以采取自定義方式排序，完成加減控制。

3.4 功能分區節能控制

從現代醫院日常運營管理角度入手進行分析，在中央空調系統節能期間，針對不同功能區要做好劃分工作，依據人流變化情況、空間大小等進行適當調整。從具體情況來看，針對人流量相對密集，空間相對較大的分區，應當在允許的情況下，適當提高中央空調運行水平。相反，對于人流較小，空間相對較小區間，例如治療室、醫生辦公室、門診室等，應當結合區間外部環境溫度改變，通過調整空調運行情況方式，控制溫度。例如，溫度相對較高的夏季，可以依據周圍環境具體情況，適當增加冷風供應量，而在溫度較低的冬季，要適當調整空調開放情況。而針對醫院內的一些特殊區域，例如核磁共振區、CT 區等區域，這些設備在運行過程中會釋放大量熱能，這會導致這一區域的溫度要高于其他區域，因此，從節能角度對問題進行探討，相關技術人員要適當調整中央空調系統在運行過程中的各項參數，而在具體調整時要考慮各種設備運行時釋放的熱量，以此為依據，預留出一定富余，減少非必要能耗，提高醫院在運營過程中的效益，以及環境效益。通過對醫院中安裝的中央空調系統的運行規律進行詳細分析可以發現，在制冷溫度低于23℃時，每降低1℃，中央空調系統運行過程中的能耗量便會增加14%左右，而在進行制熱時，如果制熱溫度超過20℃，溫度每升高1℃，耗能將會增加7%左右。

由此可見，作為技術人員要對醫院具體情況進行全面分析，合理規劃醫院內各個功能區，對不同區域空間大小和功能進行科學劃分，完成對醫院內部中央空調系統的合理布置，對系統運行過程中的各項參數進行確定，在確保醫院內各個空調都能夠享受到空調服務，在實現對能耗合理控制基礎上，為人們營造一個舒適空間。此外，在條件允許基礎上，醫院要引入凈化空調系統，在適當調整運行參數基礎上，定期清理各項設備，保證中央空調系統能夠始終保持清潔，最大限度消除各種不良因素帶來的各項影響，保證運行的合理性，進而達到節能環保目的。同時，醫院還要做好室外通風與中央空調的合理配合，在中央空調系統運行期間，要關閉好門窗，盡量減少醫院室內外熱量交流；而當停止運行時，在水醫院內溫度較高情況下，可以通過打開門窗方式通風，進而降低溫度，達到節能減排目的。

4 中央空調系統的硬件和節能控制軟件

4.1 系統硬件構成

中央空調智能化控制系統硬件主要有中央控制器、執行機構、傳感器共同構成，系統硬件構成如圖1 所示。

圖1 系統硬件構成

中央控制器采用可編程控制器（PLC），為了確保采用的PLC能夠滿足應用需求，PLC 需要具有組態靈活、支持PID 自動調節等功能，適合應用本項目功能需求。

4.2 節能控制軟件系統

采用的中央空調智能化控制系統采取空調末端系統節能控制系統和冷源站節能控制系統綜合優化算法，其在運行過程中能夠完成對冷水機、冷卻水泵、冷凍水泵各項設備在運行過程中的曲線，針對每臺設備的運行采取主動方式進行控制，而針對機房設備的運行情況，則采取集中方式進行控制，依據運算分析，制定出一套與實際情況相符的最佳技能控制方法，完成對各種設備運行情況的調整，保證中央空調系統在運行過程中的水流量、風量、壓差、溫度等各項參數處于最佳狀態，進而保證系統在運行期間能效處于最高狀態，減少能耗費用。醫院內安裝的中央空調智能化控制系統在具體運行過程中的控制流程如下。

4.2.1 啟動冷水機組

依據實際負荷需求，系統中每臺冷水機組在運行時的累計運行時間，選擇運行時間最短冷水機，從而延長冷水機組在運行過程中的壽命，確定運行的冷水機組的冷凍水動蝶閥和冷卻水電動蝶閥兩者都處于開啟狀態，開啟設備冷卻水泵，保證處于開展狀態，開啟冷凍水泵，在保證其處于啟動狀態之后，再啟動系統中冷水機組，然后開啟冷卻塔設備。

4.2.2 關閉冷水機組

依據負荷與冷水機組在運行過程中的累計時長，從諸多冷水機組中選擇出運行時間最長的一組，對系統發送關閉冷水機組指令進行控制，確定其為關閉狀態后，發送關閉冷凍水泵指令，確定其處于關閉狀態后，在冷水機停止運行300s 之后，系統則會發送關閉相應冷卻水泵、冷卻塔指令。

4.2.3 啟動冷卻塔

系統運行過程中能夠完成對冷水進水溫度的采集，如果進水溫度超過了實際設置值，系統能夠完成對每臺冷卻塔累計運行時間的查詢，從諸多冷卻塔中選擇出運行時間最短的冷卻塔，系統針對該冷卻塔發送相應制動指令。

4.2.4 關閉冷卻塔

在進行冷卻水進水溫度采集時，若發現水溫與設定值相比更低，通過系統查詢，從諸多冷卻塔中選出運行時間最長冷卻塔，發送相應關閉指令。

4.2.5 切換控制冷水機組負荷情況

該項控制工作是通過智能控制系統實現的，實際上就是計算冷熱負荷，依據用戶負荷具體情況，調節系統負荷切換控制的實際需求，并且完成對相應動作反饋的監測，確保系統運行的合理性。

5 中央空調系統節能效益分析

本項目是以廣西某醫院節能改造為例進行探討，加設了中央空調智能化控制系統之后，主機在運行過程中的節電量92542kW·h，輔機節電量 4190432kW·h，總節電量 511585kW·h，整個項目改造前后，一年節能效果對比情況如表1 所示。

表1 系統改造前后一年節能效果 單位：kW·h

通過表1 中數據可以發現，系統改造后，一年節約電量達到了511585kW·h，年節電金額約為25.68 萬元，整個項目投資約為25 萬元，設備靜態投資回收期不到1 年，節能效益十分顯著。

6 結語

本次分析的項目為中央空調系統節能改造項目，通過對主機智能模糊控制技術和成熟水泵變頻控制技術的應用，合理應用現有場地和設備，以成本較低投入獲取到良好節能收益，節能效果顯著，能夠在營造一個舒適環境基礎上，降低能耗，因此，可以在相似醫院中對該方案進行推廣。